新型文丘里洗涤器的除尘脱硫外文翻译资料

新型文丘里洗涤器的除尘脱硫

原文作者：T. Mi, X.M. Yulowast;

单位：江汉大学化学与环境工程学院工业烟尘污染控制湖北重点实验室，武汉430056

摘要：

基于文丘里洗涤器的基本几何结构，研制了一种新型文丘里洗涤器。本文利用压降、除尘效率和脱硫效率对文丘里新型洗涤器的性能进行了实验评价。首先，研究了文丘里洗涤器的压降特性；给出了压降随气体喉道速度和液气比变化的简化经验关系式。该模型与实验数据具有很好的一致性。其次，对模拟烟气除尘脱硫进行了实验研究。结果表明，文丘里洗涤器除尘脱硫效率较高，压降相对较低，运行稳定，可用于中小型燃煤锅炉的粉尘收集和气态污染物吸收。

关键词：集尘；脱硫；文丘里洗涤器；压降

1.导言

液体喷淋洗涤是收集气体流中的细颗粒和可溶性气体污染物的最有效的方法之一。 涤器和洗涤系统有多种配置，旨在提供液体和脏气流之间的良好接触，以有效地捕获颗粒或气体，如喷淋板、填料床塔、喷射洗涤器、旋风分离器、涡流式和文丘里洗涤器。其中，文丘里洗涤器是一种高效的气体清洁装置，它使用液滴形式的液体来去除直径在0.5至10micro;m之间的颗粒和工业废气源中的气体污染物^[1–4]。近几十年来，文丘里洗涤器一直高度重视从气态溪流中去除细颗粒物。 文丘里洗涤器与静电除尘器相比，运行可靠，能处理热的，爆炸性的或有害的气体和粘性颗粒，并能抵抗腐蚀性酸和碱^[5]。

由于细颗粒收集效率较高、初始投资成本较低、无运动部件、体积小、安装维护方便等优点，文丘里洗涤器于20世纪70年代初在中国引进，并广泛应用于电站小容量燃煤锅炉烟气净化。渐渐地，它们也被广泛用于清除高呼吸性粉尘浓度工作场所的可吸入粉尘^[6,7]和有毒气体^[8] ，如矿山和化工厂，同时清除灰尘和气体污染物应被视为文丘里洗涤器相对于其他空气污染控制系统的主要优势。

尽管有上述所有优点，与其他除尘器相比，文丘里洗涤器的主要缺点是压降较高。文丘里洗涤器的压降通常在100至150mmH₂O范围内^[9]。对于高能文丘里洗涤器，它们通常具有300至900mmH₂O的显著压降^[10]

目前，我国燃煤排放的SO₂约占总SO₂排放量的90%。SO₂排放造成严重的空气污染，是制约我国可持续发展的重要因素之一。目前，具有中国知识产权的烟气脱硫技术(FGD)已经逐步发展。这些脱硫技术已成功地应用于大容量电站。 由于其投资和运行成本高，这些烟气脱硫技术不适合我国大量存在的中低容量燃煤锅炉烟气中粉尘和SO₂的同时脱除。 因此，有必要开发烟气脱硫技术和设备，同时去除工业燃煤锅炉和锅炉烟气中的粉尘和二氧化硫。

2.新型文丘里洗涤器和设备的特点

基于文丘里洗涤器的基本几何结构^[11–15], 研制了一种新型文丘里洗涤器^[16]。这个文丘里由梭形部件组成。这些梭形部件被组装成气体通道，类似于文丘里管中的会聚段、喉部和发散段。这些气体通道相当于许多文丘里洗涤器的并联组合。一方面，随着实际操作条件和气体流量的变化，可以方便地调整和选择梭形部件的数量和尺寸，因为喉道直径超过420mm，所以不可能在更大尺寸的喉部上提供均匀分布的洗涤液滴^[15]。与通常的圆形或矩形喉道截面相比，由于梭形构件的对称结构和不规则喉道截面，c流的气液接触面积和湍流强度增大；相同横截面积的流动压力是均匀的。这种布置有利于文丘里洗涤器喉部气流和喷雾液滴的均匀分布，有利于粉尘碰撞、混凝和气体污染物的吸收，因此提高了洗涤器中的净化效率。新型文丘里洗涤器的原理图如图1所示，物理图如图2和3所示。

1-内置梭形部件2-蜂窝状气体通道

图1 文丘里管中梭形部件的示意图

图2 文丘里管中梭形部件的外观 图3 文丘里管中蜂窝状结构的入口结构

在洗涤系统中，压降和集尘效率等参数在捕获颗粒和洗涤有害气体方面起着重要作用。通常，新型气体洗涤设备的性能通过压降、集尘效率和气体吸收来评估。压降与运行成本直接相关。最佳设计是以最小的压降实现最大的集尘和气体吸收效率。为了确定新型文丘里洗涤器的主要操作参数，如压降、粉尘收集和脱硫效率，已建立了一个4000m³/h气体流速的文丘里洗涤器试验装置，如图4所示。

1. 液体雾化区；2-文丘里洗涤器的蜂窝状结构；3-循环碱液导管；4-隔膜阀；5-循环泵；6-循环碱液罐；7-丝网除雾器

图4 文丘里洗涤器的试验装置

本研究主要试图介绍新型文丘里洗涤器的最佳配置，通过试验装置中的压降、气喉速度、液气比、粉尘浓度、粉尘尺寸和再生溶的酸碱度等变量，评估新型文丘里洗涤器用于去除烟气中粉尘和SO₂的可行性。

3.方法

该试验装置包括一个引风机、一个气体调节器、一个消声器、气体导管(直径300mm)、新型文丘里洗涤器、一个注水系统、u形压力计、一个粉尘发生器和一个SO₂发生器。

当引风机启动时，含有灰尘和SO₂的气流被驱动并依次通过诱导管和文丘里洗涤器。在文丘里洗涤器中，大部分灰尘和SO₂同时从气流中去除。含尘废水沿管道垂直向下排入碱液罐循环使用，净化后的气体经丝网除雾器除雾后通过烟囱排入大气。

为满足监测技术规范，在气体导管的入口和出口分别安装了取样口。气体导管入口取样口与新型文丘里洗涤器入口、文丘里洗涤器末端和气体导管出口取样口之间的距离分别为3700mm和3200mm。两个取样口用于测量气流静压、粉尘浓度和SO₂浓度。收集的灰尘和吸收的二氧化硫的量是从两个取样口之间的气流浓度差获得的。

本实验采用广泛应用的Na₂CO ₃-Ca(OH)₂双碱法烟气脱硫工艺^[17-19]，以钠碱溶液为洗涤液。再生液的酸碱度由PHB-4便携式酸度计(中国上海莱茨仪器有限公司)测量；SO₂浓度由MSI-电子便携式SO₂气体浓度测试仪(德国制造)测量，测量范围:0-4000 ppm(最低检测限:1 ppm)；钠离子浓度由DWS-51钠离子密度计测量，测量范围:0-7(最低检测限:0.01 pNa)；用7201分光光度计测量硫酸根离子浓度。用皮托管确定气体流速，用转子流量计测量液体流速。

4.结果和讨论

4.1文丘里洗涤器的压降

总压降和集尘效率是与新型文丘里洗涤器成功设计相关的最重要信息。为了明确文丘里洗涤器的结构参数是否合理，首先对文丘里洗涤器的压降特性、除尘效率和耗水量进行了研究。文丘里洗涤器中的压降通过两个上述静态测压口来确定。在实验中，在三种不同的梭形部件(分别由A型、B型和C型定义)下，分别测定了气喉速度对文丘里洗涤器压降的影响。三个梭形部件的几何特征如表1所示。

表1 三个梭形部件的主要几何特征

在文丘里洗涤器中，进入气体的速度在喉部加速，液滴在扩散器处也达到气体的速度。气体的加速和气体与液滴之间的动量交换导致压降占文丘里洗涤器总压降的大部分。因此，气喉速度作为一个重要的设计参数，被用来预测文丘里洗涤器的压降。

对于恒定的液气比，气喉速度对压降的影响可以在图5中观察到，压降随着气喉速度的增加而迅速增加。在相同的气体喉道速度下，压降随着喉道截面积和发散长度的减小而增大，A型文丘里管比B型和C型文丘里管提供更低的压降。基于上述每组数据，压降(P)作为气体喉道速度(VT)的函数的方程由以下表达式给出:

使用来自三个不同结构参数的所有实验数据作为总体，压降作为气体喉部速度的函数的方程由以下表达式表示:

图5 气喉速度对文丘里管压降的影响

图6 液气比对文丘里管压降的影响

液气比对文丘里洗涤器压降的影响如图6所示。图6还可以看出，当粉尘浓度相对恒定时，文丘里洗涤器中的压降随着液气比的增加而线性增加。艾伦和范桑滕也证实了这一趋势^[20]。液气比的增加意味着喷淋液流量和液滴数量的增加。由于喷嘴孔的直径固定，液体流速的增加增加了喷射速度，从而导致液滴尺寸的减小^[21]。泰谢拉^[22]还通过实验验证了液滴尺寸随着液体流速而减小，并提出液滴尺寸可以通过气流中的湍流破碎来控制。随着分散相浓度的增加，湍流增强了液滴的破裂。较小的液滴产生较少的动量交换损失，这导致文丘里洗涤器内的总压降随着液体流速的增加而略有增加。

喷淋水的压力也在某种程度上影响文丘里洗涤器中的压降，因为雾化水需要消耗能量。在不同的操作条件下，洗涤器中的压降随气体喉部速度而变化是一致的。上述结果表明，文丘里洗涤器中的压降对气体速度比对液体流速更敏感，这些考虑对于设计文丘里洗涤器很重要。

文丘里洗涤器的压降一直是许多研究者关注的焦点。过去开发了几种模型来预测文丘里洗涤器的理论压降。卡尔弗特^[23]是第一个开发预测文丘里洗涤器压降的模型的人。该模型假设所有液体被雾化，液滴被加速以达到气体喉部速度，壁面摩擦和压力恢复在扩散器中被忽略。该模型由表达式(3)给出:

其中，△P是文丘里管中的压降(Pa)，rho;₁是洗涤液的密度，V_T是气体喉部速度(m/s)，L/G是液气比(L/m³)。

由于卡尔弗特的模型非常简单，其他研究人员^[24–30]试图改进该模型。波尔 ^[25]通过包括加速气体压降和摩擦压降改进了压降的数学模型，并求解了变截面导管的液滴运动和动量交换联立方程，除了液气比非常高和非常低之外，结果都是可以接受的。阿兹帕迪和戈万 ^[26]考虑了由于加速液滴从膜中夹带以及快速移动的气体核心和较慢移动的液体膜之间的界面阻力而导致的动量损失，但是他们在这种考虑下几乎没有获得成功。普利^[27]进行了各种实验，提出了更有效的变量，如液滴尺寸、液体喷射时的夹带、沿文丘里管长度的夹带和沉积，并修正了阿兹帕迪等人提出的模型^[28]。维斯瓦纳坦^[29]研究了液气比、喉部气体速度和喉部面积的影响，并介绍了可变喉部文丘里洗涤器压降的简单经验模型。冈萨尔维斯等人^[30]研究了以前预测文丘里洗涤器压降的模型，并指出这些模型都不能准确预测大范围运行条件下的压降，其中大多数必须谨慎使用。事实上，除了上述参数之外，还有几个其他参数，例如液滴尺寸分布、壁上形成的液膜厚度、入口气体温度和湿度以及影响压降的文丘里洗涤器的物理尺寸。考虑到所有这些参数，几乎没有一个以前提出的模型是如此全面，以至于它们的应用是没有错误的。总之，影响压降的参数主要是文丘里洗涤器的气喉速度、液气比。

到目前为止，卡尔弗特模型仍然是预测文丘里洗涤器压降的流行模型。基于卡尔弗特模型和实验数据，在新型文丘里管中提出了压降随液气比和气喉速度变化的简化经验关联式。压降方程用方程式(4)表示:

因此，当气喉速度不变时，对于给定的L/G，方程(1)可以看作方程(4)的一个特殊解,压降也可以被视为方程(4)特定解。

基于对偏微分方程特解的认识，建立了压降与液气比的关系，文丘里洗涤器可由等式(5)表示:

因此，三组实验数据已应用于方程(5)，文丘里洗涤器中的压降可通过以下方程(6)估算:

其中，△P是文丘里管中的压降(帕)，V_T是气体喉部速度(米/秒)，L/G是液气比(升/立方米)。

新型文丘里洗涤器的预测压降由等式(6)获得。图7显示了新型文丘里洗涤器中气喉速度和液气比对压降的影响。与这些实验数据相比，方程(6)具有更好的一致性。新型文丘里洗涤器的预测压降由等式(6)获得。图7显示了气体喉部速度的影响。

图7 液气比和气喉速度对文丘里管压降的影响

4.2新型文丘里洗涤器的除尘效率

研究表明，洗涤器的粉尘收集效率取决于许多变量，如粉尘浓度和大小、气体流速、气体温度、气喉速度、喷淋水流速、液体喷射类型和喷淋水压力^[31]。在实验中，研究了新型文丘里管的除尘效率。粉尘粒径分布如表2所示。

表2 粉尘粒度分布

粉尘浓度对除尘效率的影响如图8。如图8所示，在空气动力学直径为40micro;m时，灰尘浓度范围为275.6至927mg/m³，在空气动力学直径为10micro;m时，灰尘浓度范围为212至355mg/m³，灰尘收集效率基本保持不变。对于两种不同的灰尘尺寸，平均灰尘收集效率分别大于95.1%和92.7%。

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